車載語音合成芯片的“多功能”和“大門道”

近年來，利用 ADAS（高級駕駛輔助系統(tǒng)）等向行人和搭乘人員告知車輛狀態(tài)和存在已經(jīng)變得非常重要，汽車制造商們正在推進(jìn)語音輸出系統(tǒng)的開發(fā)，通過音效和語音來發(fā)出警告或通知，仔細(xì)觀察的用戶會聽出不同品牌的汽車播報時長不同、聲音大小也不同。如果從安全角度考慮，警報聲的響應(yīng)速度非常關(guān)鍵。通常汽車播報采用兩種控制方式，一種是 MCU 控制，一種是硬件控制。但是隨著車載功能的增加，主控 MCU 的負(fù)荷越來越重，方案廠商也在試圖減輕 MCU 的負(fù)擔(dān)。

羅姆集團(tuán)旗下的藍(lán)碧石公司最近推出一款新型車載語音合成 LSI --ML2253x 系列，將語音播報功能通過硬件控制，從而將主控 MCU 解放出來。LAPIS 于 2008 年從日本沖電氣工業(yè)集團(tuán)分離出來，并入了羅姆集團(tuán)旗下，2011 年正式更名為藍(lán)碧石半導(dǎo)體股份有限公司。LAPIS 公司有四大核心技術(shù)：低功耗技術(shù)、高頻電路技術(shù)、數(shù)字模擬混載技術(shù)、存儲器設(shè)計技術(shù)，提供獨具特色的 LSI 產(chǎn)品和晶圓代工服務(wù)。LAPIS 的語音芯片經(jīng)過 40 多年的發(fā)展，全球銷量一年 1500 萬片，在日本市場排名第一。

響應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)

通過 MCU 來實現(xiàn)語音輸出需要外接主控 MCU、放大器、存儲器等元器件，并且需要主控 MCU 的軟件支持，而且軟件設(shè)計非常復(fù)雜。主控 MCU 在進(jìn)行非語音播報事件處理時，可能無法進(jìn)行語音播報，或者推遲語音播報。

羅姆公司高級工程師佘夢怡女士介紹，“我們的語音合成 LSI 全部由硬件組成，對主控 MCU 不會產(chǎn)生負(fù)荷，系統(tǒng)在接收到命令之后，5 毫秒內(nèi)播放語音，另外，芯片中內(nèi)置有通信接口、邏輯、存儲器、放大器，可構(gòu)建不依賴于主控 MCU 的語音輸出系統(tǒng)，并可減少軟件設(shè)計工時?！?/p>

汽車在行駛中會面臨各種噪音干擾，比如儀表盤旁邊的 AM 頻率干擾會影響 D 類功放，為了盡可能降低干擾，ML22Q53x 系列中配置了 AB 類功放，雖然 AB 類功放沒有 D 類功放的效率高，但是抗干擾能力比 D 類功放強(qiáng)。另外，如果客戶選用 AVAS(汽車聲音警報系統(tǒng))產(chǎn)品，芯片內(nèi)置 1W 功放無法滿足要求，用戶可以將音頻輸出到外接的 10W 功放進(jìn)行放大。

故障檢測功能：增強(qiáng)系統(tǒng)安全性

隨著自動緊急制動系統(tǒng)（AEBS）相關(guān)法律法規(guī)的實施，以及市場上 ADAS 警告類型增加，用戶對車內(nèi)語音的要求也越來越嚴(yán)苛。車廠不僅要確保常規(guī)的車載品質(zhì)，還必須保整車系統(tǒng)的安全性。因此，ML2253x 系列增加了故障檢測功能。

羅姆公司技術(shù)中心主管姚玲玲解釋，“以前車載系統(tǒng)接到指令后，并無法確定播放系統(tǒng)是否在播，播放的內(nèi)容是否正確，加入了播放音異常檢測功能后，可以檢測出模擬電路的異常，并反饋給主控 MCU，還可以檢測出在系統(tǒng)端無法確認(rèn)的語音播放問題，提高了應(yīng)用的產(chǎn)品品質(zhì)，隨時也確保終端產(chǎn)品的安全性，這個功能作為規(guī)避風(fēng)險預(yù)案備受矚目?！?/p>

靈活配置Flash，通過MCU實現(xiàn)擦寫

ML2253x 系列包括兩種產(chǎn)品，一種內(nèi)置 FLASH 的 M22Q53x 系列，F(xiàn)lash 大小提供 2M、4M、16M 三種可選，內(nèi)部 FLASH 可擦寫的次數(shù)是 100 次；另外一種是外置存儲器的 ML22530 系列，最大可以擴(kuò)到 128M。

佘夢怡表示，“該芯片可通過主控 MCU 進(jìn)行 FLASH 的改寫，可在開發(fā)中進(jìn)行修改數(shù)據(jù)，即便是在終端產(chǎn)品上也可以通過主控 MCU 進(jìn)行一個數(shù)據(jù)修改，既便捷又靈活?！?/p>

算法壓縮方式獨特，音效音質(zhì)有保障

ML2253x 系列支持 HQ-ADPCM 的算法壓縮方式，據(jù)介紹，這一算法是由藍(lán)碧石半導(dǎo)體公司聯(lián)合日本九州工業(yè)大學(xué)共同開發(fā)，可以保持高音質(zhì)和音效的同時，進(jìn)行一個高壓縮率的算法。相對 ADPCM 算法、非線性 PCM 以及 PCM 算法，它的壓縮率可以對比原文壓縮到五分之一的大小，用戶更加節(jié)省存儲空間，從而節(jié)省成本。

佘夢怡解釋，“我們的芯片采樣頻率是從 6.4K 到 48K，其中 48K 可以媲美 CD 的音質(zhì)，而且每一段語音都可以設(shè)置不同的采樣頻率。同樣是 6.4K 的采樣頻率，采用 HQ-ADPCM 算法的最長播放時間在 128M 時可以達(dá)到 6541 秒，內(nèi)置 2M Flash 也可以達(dá)到 90 秒。采用 HQ-ADPCM 方式還原后，很多硬件可以進(jìn)行算法補(bǔ)充，在實際播放時存在 FLASH 的容量最多達(dá)到 40 倍的數(shù)據(jù)量，比如 5 個字節(jié)的數(shù)據(jù)可以擴(kuò)展到 200 個字節(jié)，數(shù)據(jù)量越多，語音表現(xiàn)越好?！?/p>

為了滿足音頻輸出需求，芯片設(shè)有 SPI 和 I2C 兩種接口，每個通道同時支持四通道混音后從一通道輸出，可以在不同的通道選擇不同的語音，比如音樂、語音可以從不同的通道播放。在進(jìn)行播放輸出時雖然只有一通道輸出，但音源可以選擇兩通道混音、四通道混音、有背景音樂等不同的選項單獨播放。

一站式解決方案

關(guān)于實際應(yīng)用，佘夢怡認(rèn)為，“ML22Q53x 和 ML22530 適用于快速發(fā)聲場合，對于汽車的定位或者類型沒有特殊要求。區(qū)別是帶 Q 的有內(nèi)置 FLASH，不帶 Q 的客戶可以外接 FLASH，比較靈活。目前，在日本本土已經(jīng)有一些知名廠商在評估、測試階段，國內(nèi)有一些客戶開始做前期測試，我們的產(chǎn)品 4 月份出樣品，在 8 月會量產(chǎn)?！?/p>

在客戶進(jìn)行開發(fā)時，羅姆可以提供整套開發(fā)套件，開發(fā)套件的硬件部分包含聲音控制板、SDCB3 板，不同型號對應(yīng)不同的燒寫板，兩塊板子連起來后，用戶可以連接電腦、連接揚聲器等一些硬件進(jìn)行播放，同時羅姆提供一個自主研發(fā)的軟件 Speech LSI Utility，可以進(jìn)行波形編輯、短語編輯試聽，生成工程文件、燒寫芯片等研發(fā)必備功能。

“羅姆一貫的特色是提供一站式服務(wù)，從產(chǎn)品開發(fā)到后面的選型、原理圖、PCB，以及 MCU 軟件，我們會協(xié)助客戶做調(diào)試，量產(chǎn)之后的問題也可以一起解決。車內(nèi)語音市場的規(guī)模大概有 50 億日元，車載市場的入門門檻相對較高，需要通過 AEC-Q100 或者 ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)。羅姆的優(yōu)勢是有自主產(chǎn)品線和 LAPIS 產(chǎn)品線相互補(bǔ)充，還針對 ISO 26262 已經(jīng)取得了流程認(rèn)證。”佘夢怡補(bǔ)充。

ML22530x系列DEMO板演示

該 DEMO 板基于 ML22530 語音芯片設(shè)計，開發(fā)板上有語音芯片、MCU、外置 FLASH，以及外置功放組成。MCU 只需要發(fā)送一個簡單的指令就可以控制語音芯片，語音芯片從外部 FLASH 中讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行播放。芯片內(nèi)部集成了 1W 功放，設(shè)置有一個 1W 的輸出口，連接上喇叭即可播放聲音，板子上設(shè)有三個按鈕進(jìn)行語音數(shù)據(jù)選擇。

工程師展示了用在 AVAS(汽車聲音警報系統(tǒng))產(chǎn)品上的聲音，模擬電動汽車的引擎音，可以通過滑動變阻器調(diào)節(jié)聲音的大小，通過不同的阻值使用 AD 變換，再通過 MCU 選擇相應(yīng)的語音數(shù)據(jù)進(jìn)行播放。

針對車內(nèi)安全性提醒的應(yīng)用，可以模擬汽車轉(zhuǎn)向燈的聲音、汽車在剛啟動時的歡迎音樂等。佘夢怡強(qiáng)調(diào)，“如果客戶是用在 AVAS(汽車聲音警報系統(tǒng))產(chǎn)品上，由于芯片內(nèi)部只有 1W 功放，我們建議客戶外置功放，這樣才能起到提醒的作用，讓路邊的行人聽到車子的引擎聲音?！?/p>